مختبر بروكهافن الوطني يعيد تصميم نظام تخزين المغناطيسات فائقة التوصيل لزيادة سعة التخزين وتوفير التكاليف

من المتوقع أن يوفر نظام تخزين المغناطيسات فائقة التوصيل المعاد تصميمه في مختبر بروكهافن الوطني (Brookhaven National Laboratory) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية حوالي 420,000 دولار أمريكي (نحو 3,276,000 دولار هونغ كونغ)، مع زيادة سعة تخزين المعدات اللازمة لمسرعات الجسيمات المستقبلية. ويمكن للهيكل رباعي الطبقات استيعاب ما يصل إلى 45,000 رطل من المغناطيسات في مساحة محدودة. وقد طور هذا التصميم الطالب روبرت ديجاردان (Robert Desjardins)، طالب السنة الرابعة في هندسة التكنولوجيا الميكانيكية في معهد روتشستر للتكنولوجيا (Rochester Institute of Technology، اختصاراً RIT)، خلال فترة تدريب صيفي استمرت 10 أسابيع.

سيساعد هذا التصميم مختبر بروكهافن على تخزين حوالي 80 مغناطيساً يتم إزالتها من مصادم الأيونات الثقيلة النسبي (Relativistic Heavy Ion Collider، اختصاراً RHIC). ومن المقرر إعادة استخدام هذه المعدات في مصادم الإلكترون-أيون (Electron-Ion Collider، اختصاراً EIC)، الذي من المتوقع أن يبدأ تشغيله في منتصف ثلاثينيات القرن الحادي والعشرين. ويبلغ طول كل مغناطيس فائق التوصيل حوالي 20 قدماً، ويزن أكثر من 10,000 رطل.

التصميم الجديد يزيد سعة التخزين

زاد الحامل المعاد تصميمه سعة التخزين من ثلاثة مغناطيسات إلى أربعة دون الحاجة إلى مساحة أرضية إضافية.

تم تصميم الحامل الأصلي للتخزين في تسعينيات القرن العشرين، وكان قادراً على استيعاب ثلاثة مغناطيسات فقط. واحتاج بروكهافن إلى هيكل أطول لاستيعاب مغناطيسات إضافية، مع تلبية متطلبات تحمل الأحمال والسلامة. وأعادت ديجاردان تصميم الحامل باستخدام نماذج الهندسة بمساعدة الحاسوب، وراجعت المخططات الحالية، وتعاونت مع الشركات المصنعة لتقييم الهيكل المقترح. وقالت ديجاردان: "تم تصميم الحامل الأصلي في تسعينيات القرن العشرين، وكان قادراً على استيعاب ثلاثة مغناطيسات فقط. كانوا يريدون زيادة السعة إلى أربعة." كما تطلبت إعادة التصميم إجراء محاكاة واسعة لتقييم القوة الهيكلية، وقدرة تحمل الأحمال، والأداء الزلزالي.

اختبارات المحاكاة تضمن السلامة

تهدف هذه الاختبارات إلى تحديد ما إذا كان الحامل قادراً على دعم المعدات الثقيلة بأمان، بما في ذلك أداؤه تحت القوى المرتبطة بالزلازل. وعملت ديجاردان مع المهندس الميكانيكي في بروكهافن، جوناثان جرين (Jonathon Greene)، وهو خريج معهد RIT، الذي أشرف على المشروع. ووفقاً لجرين، فقد قلل التصميم المعدل التكاليف مع زيادة ارتفاع نظام التخزين. وقال: "نجح روبرت في خفض تكلفة التصميم الأصلي مع زيادة الارتفاع. وهكذا وفرنا حوالي 420,000 دولار أمريكي (نحو 3,276,000 دولار هونغ كونغ)." ووفقاً للتقارير، يرتبط المبلغ الموفر بإعادة تصميم حامل التخزين، لكن المعلومات المقدمة لم تحدد كيفية حساب التوفير، كما لم تقدم بيانات للتحقق المستقل من هذا الرقم.

لقد عمل مصادم RHIC في بروكهافن لأكثر من 26 عاماً، مما مكن العلماء من دراسة المادة في ظروف قاسية. وسيتم الاحتفاظ ببعض المغناطيسات فائقة التوصيل لاستخدامها في مصادم الإلكترون-أيون الجديد، بدلاً من التخلص منها. ويهدف تطوير مصادم EIC إلى دراسة البنية الداخلية للبروتونات والأنوية الذرية. وسيسمح المصادم بتصادم الإلكترونات مع الأيونات، مما يتيح للباحثين مراقبة سلوك الكواركات والغلوونات داخل المادة. ويُعد الاحتفاظ بالمغناطيسات الحالية جزءاً من استعدادات المختبر للانتقال بين المنشأتين. وسيوفر الحامل المعاد تصميمه مساحة تخزين للمعدات تمهيداً لإعادة استخدامها.

خلال عملية التطوير، قدمت ديجاردان تحديثات التصميم لمهندسي وعلماء بروكهافن، وأجابت على أسئلة حول اختيار المواد، وتقييم السلامة، ونتائج المحاكاة. كما وثق بروكهافن نموذجاً أولياً للحامل رباعي الطبقات. ومع ذلك، لم تؤكد المواد المقدمة ما إذا كان قد تم تصنيع جميع الحوامل المطلوبة، أو ما إذا تم نقل المخزون الكامل لحوالي 80 مغناطيساً إلى التخزين بالفعل.

يوضح المشروع كيف يمكن لإعادة تصميم هيكلي بسيط نسبياً أن تزيد كثافة التخزين وتقلل تكاليف البنية التحتية، مع دعم بناء منشآت علمية كبرى.

أهمية إعادة التصميم الهيكلي للبحث العلمي

إن إعادة تصميم نظام تخزين المغناطيسات فائقة التوصيل في مختبر بروكهافن الوطني لم ترفع سعة التخزين فحسب، بل أظهرت أيضاً إمكانية الاستفادة الفعالة من الموارد في مساحة محدودة. ويعد هذا الابتكار التكنولوجي حاسماً لتشغيل مسرعات الجسيمات المستقبلية، لأنه يمكّن من دعم تجارب علمية واسعة النطاق دون زيادة التكاليف. ومن خلال هذا النهج، يمكن للمختبر الاستعداد بشكل أفضل للانتقال إلى منشآت جديدة، وضمان الاستخدام المستمر للمعدات الحالية، مما يعزز التقدم في البحث العلمي.